Dabartinė technologijų būklė atrodytų visiškai kitaip, jei žmonija tolimoje praeityje nebūtų išmokusi panaudoti riedėjimo trinties jėgos savo naudai. Kas tai yra, kodėl jis atsiranda ir kaip jį galima apskaičiuoti, šie klausimai aptariami straipsnyje.
Kas yra riedėjimo trintis?
Pagal juo suprantama fizinė jėga, kuri atsiranda visais atvejais, kai vienas objektas neslysta, o rieda kito paviršiumi. Riedėjimo trinties jėgos pavyzdžiai yra medinio vežimėlio rato važiavimas purvinu keliu arba automobilio rato važiavimas asf altu, metalinių rutulinių ir adatinių guolių riedėjimas ant plieninės ašies, dažymo voleliu perkėlimas ant sienos ir pan.
Skirtingai nuo statinės ir slydimo trinties jėgų, kurias sukelia nelygių kūno paviršių ir paviršiaus sąveika atominiame lygyje, riedėjimo trinties priežastis yra deformacijos histerezė.
Paaiškinkime įvardytą faktą rato pavyzdžiu. Kai jis liečiasi suabsoliučiai bet koks kietas paviršius, tada kontaktinėje zonoje yra jo mikrodeformacija elastingoje srityje. Kai tik ratas pasisuks tam tikru kampu, ši elastinga deformacija išnyks, o kėbulas atkurs savo formą. Nepaisant to, dėl rato riedėjimo kartojasi suspaudimo ir formos atkūrimo ciklai, kuriuos lydi energijos praradimas ir mikroskopiniai rato paviršiaus sluoksnių struktūros sutrikimai. Šis praradimas vadinamas histereze. Judant jie pasireiškia riedėjimo trinties jėga.
Nedeformuojančių kūnų valcavimas
Panagrinėkime idealų atvejį, kai ratas, judėdamas visiškai kietu paviršiumi, nepatiria mikrodeformacijų. Šiuo atveju jo sąlyčio su paviršiumi zona atitiks tiesią atkarpą, kurios plotas lygus nuliui.
Judant vairą veikia keturios jėgos. Tai traukos jėga F, atramos reakcijos jėga N, rato svoris P ir trintis fr. Pirmosios trys jėgos yra pagrindinės (veikiančios rato masės centrą), todėl nesukuria sukimo momento. Jėga fr veikia rato ratlankio liestine. Riedėjimo trinties momentas yra:
M=frr.
Čia rato spindulys žymimas raide r.
Jėgos N ir P veikia vertikaliai, todėl tolygaus judėjimo atveju trinties jėga fr bus lygi traukos jėgai F:
F=fr.
Bet kokia be galo maža jėga F sugebės įveikti fr ir ratas pradės judėti. Taiišvada leidžia daryti išvadą, kad nedeformuojamo rato atveju riedėjimo trinties jėga lygi nuliui.
Deformuojamų (tikrųjų) kūnų riedėjimas
Tikrų kūnų atveju dėl rato deformacijos jo atramos plotas ant paviršiaus nėra lygus nuliui. Pirmą kartą apytiksliai tai yra stačiakampis, kurio kraštinės yra l ir 2d. Kur l yra rato plotis, kuris mūsų nelabai domina. Riedėjimo trinties jėga atsiranda būtent dėl 2d vertės.
Kaip ir nedeformuojamo rato atveju, keturios aukščiau paminėtos jėgos taip pat veikia realų objektą. Išsaugomi visi ryšiai tarp jų, išskyrus vieną: atramos reakcijos jėga dėl deformacijos neveiks per ašį ant rato, o pasislinks jos atžvilgiu atstumu d, tai yra, ji dalyvaus kuriant sukimo momentą. Momento M formulė tikro rato atveju yra tokia:
M=Nd - frr.
Vertės M lygybė nuliui yra vienodo rato riedėjimo sąlyga. Dėl to gauname lygybę:
fr=d/rN.
Kadangi N yra lygus kūno svoriui, gauname galutinę riedėjimo trinties jėgos formulę:
fr=d/rP.
Ši išraiška yra naudingas rezultatas: didėjant rato spinduliui r, trinties jėga fr.
Pasipriešinimo riedėjimui koeficientas ir riedėjimo koeficientas
Skirtingai nuo poilsio ir slydimo trinties jėgų, riedėjimui būdingos dvi tarpusavyje susijusioskoeficientai. Pirmasis iš jų yra aukščiau aprašyta d reikšmė. Jis vadinamas pasipriešinimo riedėjimui koeficientu, nes kuo didesnė jo reikšmė, tuo didesnė jėga fr. Traukinio ratams, automobiliams, metaliniams guoliams d reikšmė yra milimetro dešimtosiose dalyse.
Antrasis koeficientas yra pats slinkimo koeficientas. Tai yra bematis dydis ir yra lygus:
Cr=d/r.
Daugelyje lentelių ši reikšmė nurodyta, nes ją patogiau naudoti sprendžiant praktines problemas nei d reikšmę. Daugeliu praktinių atvejų Cr reikšmė neviršija kelių šimtųjų dalių (0,01–0,06).
Tikrų kūnų riedėjimo būklė
Aukščiau gavome jėgos fr formulę. Parašykime per koeficientą Cr:
fr=CrP.
Matyti, kad jo forma panaši į statinės trinties jėgos, kurioje vietoj Cr naudojama reikšmė µ - statinės trinties koeficientas..
Gravos jėga F privers ratą riedėti tik tada, jei ji yra didesnė nei fr. Tačiau trauka F taip pat gali sukelti slydimą, jei ji viršija atitinkamą poilsio jėgą. Taigi realių kūnų riedėjimo sąlyga yra ta, kad jėga fr būtų mažesnė už statinę trinties jėgą.
Daugeliu atvejų koeficiento µ reikšmės yra 1–2 eilėmis didesnės už Cr reikšmę. Tačiau kai kuriose situacijose (esant sniegui, ledui,aliejiniai skysčiai, nešvarumai) µ gali tapti mažesnis nei Cr. Pastaruoju atveju bus pastebėtas ratų slydimas.
